DE102009007168B4 - Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels - Google Patents
Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Download PDFInfo
- Publication number
- DE102009007168B4 DE102009007168B4 DE102009007168.7A DE102009007168A DE102009007168B4 DE 102009007168 B4 DE102009007168 B4 DE 102009007168B4 DE 102009007168 A DE102009007168 A DE 102009007168A DE 102009007168 B4 DE102009007168 B4 DE 102009007168B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- cell voltage
- fuel cell
- current density
- stack
- power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
- H01M8/04641—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04582—Current of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
- H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze für eine Brennstoffzelle, die mit durchschnittlicher Leistung arbeitet, in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine minimale Zellenspannungsgrenze für eine mit minimaler Leistung arbeitende Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine separate Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen in aufsteigender Reihenfolge aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt werden; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze ist; eine maximale Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze; und die kleinere aus der maximalen Nettoleistung der durchschnittlichen Zellenspannung und der maximalen Nettoleistung der minimalen Zellenspannung als Grundlage für die maximale Stapelleistung gewählt wird.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels.
- 2. Erläuterung der verwandten Technik
- Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu bilden. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
- Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
- Der Stapelcontroller muss die Strom/Spannung-Beziehung des Brennstoffzellenstapels kennen, die als Polarisationskurve bezeichnet wird, um die Reaktanden in Übereinstimmung mit dem Leistungsbedarf zu planen. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels ist typischerweise schwierig zu definieren, da sie nicht-linear ist und sich in Abhängigkeit von vielen Variablen ändert, welche die Stapeltemperatur, die Stapelpartialdrücke und die Kathoden- und Anoden-Stöchiometrien umfassen. Darüber hinaus ändert sich die Beziehung zwischen dem Stapelstrom und den Spannungsänderungen, während der Stapel mit der Zeit degradiert. Insbesondere wird ein älterer Stapel geringere Zellenspannungen aufweisen und wird erfordern, dass mehr Strom bereitgestellt wird als bei einem neuen, nicht degradierten Stapel, um dem Leistungsbedarf gerecht zu werden.
- Erfreulicherweise neigen viele Brennstoffzellensysteme, sobald sie sich oberhalb einer bestimmten Temperatur befinden, dazu, dass sie wiederholbare Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Stromdichte aufweisen. In diesen Fällen kann die Spannung annäherungsweise als eine Funktion der Stapelstromdichte und des Stapelalters beschrieben werden.
- Herkömmliche Verfahren zum Überwachen und/oder Steuern von Brennstoffzellenstapeln und elektrochemischen Zellen sind aus den Druckschriften
US 2003/0 184 307 A1 DE 103 42 146 A1 bekannt. - Zusammenfassung der Erfindung
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst, dass eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze für eine Brennstoffzelle, die mit durchschnittlicher Leistung arbeitet, in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine minimale Zellenspannungsgrenze für eine mit minimaler Leistung arbeitende Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine separate Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen in aufsteigender Reihenfolge aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt werden; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze ist; eine maximale Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze; und die kleinere aus der maximalen Nettoleistung der durchschnittlichen Zellenspannung und der maximalen Nettoleistung der minimalen Zellenspannung als die maximale Stapelleistung gewählt wird.
- Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, welches geteilte Stapel und einen Controller umfasst; -
2 ist ein Graph mit der Brennstoffzellenstapel-Stromdichte auf der horizontalen Achse und der Brennstoffzellenstapelspannung auf der vertikalen Achse, der eine Polarisationskurve für eine minimale Zelle in dem Brennstoffzellenstapel und eine durchschnittliche Zelle in dem Brennstoffzellenstapel zeigt; -
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Ermitteln der maximalen Brennstoffzellenstapelleistung zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der maximalen Brennstoffzellenstapelleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. - Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
- Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, während der Brennstoffzellenstapel mit der Zeit degradiert, unter Verwendung eines Polarisationskurvenabschätzungsverfahrens vorsehen, ist lediglich beispielhaft.
- Viele Steuerparameter eines Brennstoffzellensystems erfordern die Kenntnis der Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels wie z. B. die Kenntnis des maximalen Spannungspotentials und des Stromzuges, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar sind. Wie oben erwähnt, ändert sich, während der Stapel altert, auch die Stapelpolarisationskurve infolge der Stapeldegradation. Die Druckschrift
US 2008/0 182 139 A1 US 2008/0 182 139 A1 - Die vorliegende Erfindung schlägt einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, unter Verwendung eines Polarisationskurvenabschätzungsverfahrens vor, wie jenes, das in der Druckschrift
US 2008/0 182 139 A1 - Dadurch ist die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert, wenn das Fahrzeug nicht mehr Leistung von dem Stapel anfordert als er erzeugen kann. Man nehme z. B. den Fall an, dass ein Brennstoffzellenmodul typischerweise 90 kW bereitstellen kann, die Stapelspannung jedoch abgenommen hat, sodass er nur 80 kW bereitstellen kann. Wenn 85 kW angefordert sind, werden sich die Anlagensollwerte zu 85 kW verlagern, obwohl der Stapel nicht in der Lage ist, so viel Leistung zu erzeugen. Des Weiteren wird Information des vorhergesagten maximalen Leistungsniveaus für Wartungspersonal verfügbar sein, wenn der Stapel einen Service benötigt. Wenn das maximale Leistungsniveau deutlich abgenommen hat, kann das Brennstoffzellensystem Sollwerte modifizieren, um die Fahrzeugzuverlässigkeit zu erhöhen. Überdies können zusätzliche thermische Lasten eingeschaltet werden, wenn sich das Brennstoffzellensystem aufwärmt. Ein degradierter Stapel besitzt oft eine reduzierte Fähigkeit, flüssiges Wasser handzuhaben. Eine zusätzliche Stapelerwärmung wird die Gefahr eines instabilen Betriebes schnell verringern. Wenn der Stapel stark degradiert ist, können Sollwerte für die relative Feuchte modifiziert werden, um flüssiges Wasser besser handzuhaben.
-
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems10 , welches einen ersten Teilstapel12 , einen zweiten Teilstapel14 und einen Controller16 umfasst. Der Controller16 empfängt Information von den geteilten Stapeln12 und14 und steuert die geteilten Stapel12 und14 . Der Controller16 verwendet die Information, um die Polarisationskurve der Stapel12 und14 in Echtzeit zu berechnen und die maximale Nettoleistung bereitzustellen, die von den Stapeln12 und14 verfügbar ist. - Um die maximale Nettoleistung von den Brennstoffzellenstapeln
12 und14 zu ermitteln, verwendet die vorliegende Erfindung die durchschnittliche Zellenspannung der Stapel12 und14 und die minimale Zellenspannung der Stapel12 und14 .2 ist ein Graph mit der Stromdichte auf der horizontalen Achse und der Spannung auf der vertikalen Achse. Der Graph umfasst zwei Polarisationskurven, nämlich die Polarisationskurve20 für die durchschnittliche Zellenspannung und die Polarisationskurve22 für die minimale Zellenspannung. Der Punkt24 repräsentiert den (die) maximalen Strom (oder Stromdichte), der (die) von den Stapeln12 und14 für die Polarisationskurve der durchschnittlichen Zelle verfügbar ist, und der Punkt26 repräsentiert den maximalen Strom, der von den Stapeln12 und14 für die Polarisationskurve der minimalen Zelle verfügbar ist. -
3 ist ein Flussdiagramm40 , das ein Verfahren der Erfindung zum Ermitteln der maximalen Netto-Brennstoffzellenstapel-Ausgangsleistung zu einer beliebigen gegebenen Zeit während eines Brennstoffzellenbetriebes und die Anwendungen zeigt, für die dieser berechnete Leistungswert verwendet werden kann. Bei dem Feld42 beschafft der Algorithmus die Parameter aus einem nicht flüchtigen Speicher, die verwendet werden, um die Polarisationskurven für die Stapel12 und14 aus z. B. dem Verfahren abzuschätzen, das in der DruckschriftUS 2008/0 182 139 A1 42 eine durchschnittliche ZellenspannungsgrenzeCV Avgcell / Lim 44 eine minimale ZellenspannungsgrenzeCV mincell / Lim 12 und14 verfügbar ist, unter Verwendung der durchschnittlichen ZellenspannungsgrenzeCV Avgcell / Lim 42 und berechnet die maximale Leistung unter Verwendung der minimalen ZellenspannungsgrenzeCV mincell / Lim 46 . -
4 ist ein Flussdiagramm50 , welches ein Verfahren zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren beginnt ganz links von den Polarisationskurven20 und22 und bewegt sich die Kurven20 und22 entlang nach unten, bis die durchschnittliche ZellenspannungsgrenzeCV Avgcell / Lim CV mincell / Lim 24 und26 erreicht sind. Bei dem Feld52 teilt der Algorithmus den Stromdichtebereich der Stapel12 und14 in N Abtastbereiche auf, wobei k den spezifischen Abtastbereich kennzeichnet, der analysiert wird. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Stromdichtebereich zwischen 0,1 und 2,0 A/cm2 betragen und die Abtastbereiche können alle 0,1 A/cm2 vorhanden sein. Dann beschafft der Algorithmus eine Stromdichte j für den untersuchten Abtastbereich und berechnet die Zellenspannung bei der Stromdichte j für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung unter Verwendung der Polarisationskurven20 und22 . In einem nicht einschränkenden Beispiel wird die Zellenspannung bei der spezifischen Stromdichte berechnet als wobei - Ecell
- die Zellenspannung (V) ist,
- j
- die Stromdichte (A/cm2) ist,
- RHFR
- der Zellen-HFR-Widerstand (Ohm cm2) ist,
- Erev
- das thermodynamische reversible Zellenpotential (V) ist,
- α
- die Hintergrundstromdichte von Zellenkurzschluss/Zellendurchbruch (A/cm2) ist,
- j0
- die Austauschstromdichte (A/cm2) ist,
- j∞
- die begrenzende Stromdichte (A/cm2) ist und
- c
- der Massenübergangskoeffizient ist.
- Sobald die Zellenspannung berechnet ist, ermittelt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute
56 , ob die berechnete Zellenspannung Ecell für diese Stromdichte j kleiner ist als die vorbestimmte ZellenspannungsgrenzeCV Avgcell / Lim CV mincell / Lim 58 in den nächsten Abtastbereich k, um die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung bei dem Feld54 für die neue, höhere Stromdichte j zu berechnen. Wenn die berechnete Zellenspannung bei der Entscheidungsraute56 kleiner oder gleich der ZellenspannungsgrenzeCV Avgcell / Lim CV mincell / Lim 60 die maximale Leistung. Die Bruttoleistung wird berechnet als Spannung mal Strom, wobei die maximale Stromdichte j mit der Anzahl der Zellen Ncells und der Fläche Acells der Zellen multipliziert wird, um den Gesamtstrom der Stapel12 und14 zu erhalten. Ferner wird eine Abschätzung der parasitären Leistung auf der Basis der Stromdichte (von einer Nachschlagetabelle oder einem geeigneten Algorithmus zur Abschätzung der parasitären Leistung bereitgestellt) von der Leistung abgezogen und eine Korrektur wird hinzugefügt, um die maximale NettoleistungP X / max P X / max = (CV X / max·Ncells·j x / Pmax ·Acells) – parasitischeEffekte + Korrektur - Die Bruttoleistung sagt aus, wie viel der Stapel erzeugt, und die Nettoleistung ist die Bruttoleistung minus der parasitären Leistung für den Betrieb des Brennstoffzellensystems wie z. B. zum Betreiben des Verdichters, der Kühlfluidpumpen etc. Typischerweise werden Tabellen erzeugt, in denen die parasitäre Leistung für eine bestimmte Stromdichte j auf der Basis von Experimenten und dergleichen definiert ist. Die Korrektur wird typischerweise empirisch ermittelt und liegt allgemein bei etwa 5% der maximalen Leistung.
- Sobald der Algorithmus die maximale Nettoleistung
P X / max 12 und14 besitzt, ermittelt der Algorithmus die maximale Brennstoffzellensystem-NettoleistungP FCS / max P X / max 12 und14 bei dem Feld62 in dem Flussdiagramm40 . - Eine weitere nicht einschränkende Ausführungsform zur Berechnung der maximalen Nettoleistung, die auf eine Anzahl von N Stapeln angewendet werden kann, kann gegeben sein durch:
P FCS / max = min(max(AvgCellLeistungsabschätzungen), min(MinCellLeistungsabschätzungen)) P FCS / max 12 und14 zu jeder bestimmten Zeit abgezogen werden kann, wird dieser Wert dann in verschiedenen Anwendungen in dem Brennstoffzellensystem10 verwendet, z. B. bei der Vorhersage der Anzahl von Stunden vor dem Ende der Lebensdauer der Stapel12 und14 bei dem Feld64 , dem Senden der maximalen Leistung an das Brennstoffzellenleistungssystem bei dem Feld66 , dem Bereitstellen einer Energieabschätzung für ein annehmbares Laufverhalten bei dem Feld68 und die Verwendung der maximalen Leistung in adaptiven Steueranwendungen bei dem Feld70 .
Claims (9)
- Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze für eine Brennstoffzelle, die mit durchschnittlicher Leistung arbeitet, in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine minimale Zellenspannungsgrenze für eine mit minimaler Leistung arbeitende Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine separate Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen in aufsteigender Reihenfolge aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt werden; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze ist; eine maximale Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze; und die kleinere aus der maximalen Nettoleistung der durchschnittlichen Zellenspannung und der maximalen Nettoleistung der minimalen Zellenspannung als Grundlage für die maximale Stapelleistung gewählt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Nettoleistung umfasst, dass die Nettoleistung als die maximale Zellenspannung mal der Gesamtstromdichte mal der Anzahl von Brennstoffzellen mal der Fläche der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels minus einer vorbestimmten parasitären Leistung berechnet wird, die verwendet werden, während der Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner umfasst, dass der berechneten maximalen Leistung eine Korrektur hinzugefügt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung umfasst, dass die Gleichung: verwendet wird, wobei Ecell die Zellenspannung ist, j die Stromdichte ist, RHFR der Zellen-HFR-Widerstand ist, Erev das thermodynamische reversible Zellenpotential ist, α die Hintergrundstromdichte von Zellenkurzschluss/Zellendurchbruch ist, j0 die Austauschstromdichte ist, j∞ die begrenzende Stromdichte ist und c der Massenübergangskoeffizient ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze etwa 0,525 V beträgt und die minimale Zellenspannungsgrenze etwa 0,3 V beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftrennen eines Stromdichtebereiches des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen umfasst, dass ein Stromdichtebereich von 0,1 – 2,0 A/cm2 in Abtastbereiche von 0,1 A/cm2 aufgetrennt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wählen eines nächsten Abtastbereiches in dem Stromdichtebereich umfasst, dass der nächste Abtastbereich in der Reihenfolge von einer niedrigen Stromdichte in dem Bereich zu einer hohen Stromdichte in dem Bereich gewählt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein geteilter Brennstoffzellenstapel ist, wobei die maximale Stapelleistung für beide geteilten Stapel ermittelt wird.
- Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest eine Zellenspannungsgrenze für eine Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für zumindest eine Zelle abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt wird; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze; und eine maximale Nettoleistung für die Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US12/027,042 US8192879B2 (en) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Method for maximum net power calculation for fuel cell system based on online polarization curve estimation |
US12/027,042 | 2008-02-06 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102009007168A1 DE102009007168A1 (de) | 2009-08-27 |
DE102009007168B4 true DE102009007168B4 (de) | 2015-07-16 |
Family
ID=40896925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102009007168.7A Expired - Fee Related DE102009007168B4 (de) | 2008-02-06 | 2009-02-03 | Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8192879B2 (de) |
CN (1) | CN101533073B (de) |
DE (1) | DE102009007168B4 (de) |
Families Citing this family (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8795926B2 (en) | 2005-08-11 | 2014-08-05 | Intelligent Energy Limited | Pump assembly for a fuel cell system |
US9034531B2 (en) * | 2008-01-29 | 2015-05-19 | Ardica Technologies, Inc. | Controller for fuel cell operation |
US8808410B2 (en) * | 2009-07-23 | 2014-08-19 | Intelligent Energy Limited | Hydrogen generator and product conditioning method |
US8741004B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-06-03 | Intelligent Energy Limited | Cartridge for controlled production of hydrogen |
US8642220B2 (en) * | 2009-09-25 | 2014-02-04 | GM Global Technology Operations LLC | Method to improve fuel cell system performance using cell voltage prediction of fuel cell stack |
US8280659B2 (en) * | 2010-01-21 | 2012-10-02 | GM Global Technology Operations LLC | Early detection of minimum cell voltage degradation of a fuel cell stack |
US8450018B2 (en) * | 2010-02-18 | 2013-05-28 | GM Global Technology Operations LLC | Method to automatically enable/disable stack reconditioning procedure based on fuel cell stack parameter estimation |
KR101394722B1 (ko) | 2010-06-29 | 2014-05-15 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 기체확산층의 굽힘강성 비파괴 간접 측정 장치 및 방법 |
US8405399B2 (en) * | 2010-07-20 | 2013-03-26 | GM Global Technology Operations LLC | Method to predict min cell voltage from discrete min cell voltage output of stack health monitor |
US8940458B2 (en) | 2010-10-20 | 2015-01-27 | Intelligent Energy Limited | Fuel supply for a fuel cell |
WO2012058688A1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-05-03 | Ardica Technologies | Fuel cell charging system and method of use |
US20130004872A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-03 | GM Global Technology Operations LLC | Method for early detection of membrane failures of fuel cell stacks and fuel cell system component defects |
US9169976B2 (en) | 2011-11-21 | 2015-10-27 | Ardica Technologies, Inc. | Method of manufacture of a metal hydride fuel supply |
US8920995B2 (en) | 2013-03-15 | 2014-12-30 | GM Global Technology Operations LLC | Systems and methods for predicting polarization curves in a fuel cell system |
CN108352548B (zh) * | 2015-10-30 | 2021-06-15 | 株式会社Lg化学 | 燃料电池***及其控制方法 |
DE102016116049A1 (de) | 2016-08-29 | 2018-03-01 | Audi Ag | Verfahren zum Schätzen eines Zustandsvektors eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Zustandsgröße eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem |
CN108872872B (zh) * | 2018-06-27 | 2019-08-09 | 清华大学 | 燃料电池使用寿命和剩余寿命的预测方法及装置 |
DE102018218331A1 (de) | 2018-10-26 | 2020-04-30 | Audi Ag | Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug |
DE102018129659A1 (de) | 2018-11-26 | 2020-05-28 | Audi Ag | Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellenfahrzeug |
CN110450653B (zh) * | 2019-08-07 | 2020-08-28 | 浙江大学城市学院 | 基于燃料电池/锂电池退化模型的混合动力汽车最优控制策略 |
CN111722111A (zh) * | 2020-06-22 | 2020-09-29 | 上海骥翀氢能科技有限公司 | 电堆参数确定方法、装置、计算机设备以及可读存储介质 |
CN112736268B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-02-15 | 华中科技大学 | 一种提高sofc***寿命的控制优化方法和*** |
CN113013450B (zh) * | 2021-02-26 | 2022-05-31 | 清华大学 | 碳氢燃料固体氧化物燃料电池堆自热平衡确定方法及应用 |
CN112993345B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-05-03 | 北京氢澜科技有限公司 | 基于人工智能的燃料电池控制***及控制方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030184307A1 (en) * | 2002-02-19 | 2003-10-02 | Kozlowski James D. | Model-based predictive diagnostic tool for primary and secondary batteries |
DE10342146A1 (de) * | 2003-09-12 | 2005-04-07 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2309025A1 (en) * | 1999-07-06 | 2001-01-06 | General Motors Corporation | Fuel cell stack monitoring and system control |
US6794844B2 (en) * | 2001-08-31 | 2004-09-21 | Visteon Global Technologies, Inc. | Method and system for fuel cell control |
US7569293B1 (en) * | 2001-10-15 | 2009-08-04 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Methods and systems for efficient operation of integrated fuel cell-fuel reformer systems |
US7632583B2 (en) * | 2003-05-06 | 2009-12-15 | Ballard Power Systems Inc. | Apparatus for improving the performance of a fuel cell electric power system |
US20060166051A1 (en) * | 2005-01-24 | 2006-07-27 | Mahesh Murthy | Method and device to improve operation of a fuel cell |
US20060194082A1 (en) * | 2005-02-02 | 2006-08-31 | Ultracell Corporation | Systems and methods for protecting a fuel cell |
US8214174B2 (en) * | 2007-01-31 | 2012-07-03 | GM Global Technology Operations LLC | Algorithm for online adaptive polarization curve estimation of a fuel cell stack |
-
2008
- 2008-02-06 US US12/027,042 patent/US8192879B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-02-03 DE DE102009007168.7A patent/DE102009007168B4/de not_active Expired - Fee Related
- 2009-02-06 CN CN2009101387294A patent/CN101533073B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030184307A1 (en) * | 2002-02-19 | 2003-10-02 | Kozlowski James D. | Model-based predictive diagnostic tool for primary and secondary batteries |
DE10342146A1 (de) * | 2003-09-12 | 2005-04-07 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20090197125A1 (en) | 2009-08-06 |
CN101533073B (zh) | 2012-07-18 |
DE102009007168A1 (de) | 2009-08-27 |
CN101533073A (zh) | 2009-09-16 |
US8192879B2 (en) | 2012-06-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102009007168B4 (de) | Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels | |
DE102007044640B4 (de) | Verfahren zur adaptiven Vorhersage einer Stapelspannung in Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensystemen und Brennstoffzellensystem | |
DE102008006734B4 (de) | Verfahren zur berechnung einer polarisationskurve eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem | |
DE102008028007B4 (de) | Verfahren zum Anordnen einer Anodenentlüftung von einer Anodenseite eines ersten Teilstapels und eines zweiten Teilstapels | |
DE102005023131B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Fluidströmungspulsation für erhöhte Stabilität in PEM-Brennstoffzellen | |
DE102014102814B4 (de) | Systeme und Verfahren zum Vorhersagen von Polarisationskurven in einem Brennstoffzellensystem | |
DE102009007173B4 (de) | Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Begrenzen des Ausgangsstroms eines Brennstoffzellenstapels | |
DE102011107183B4 (de) | Verfahren zur Vorhersage der minimalen Zellenspannung aus dem diskreten minimalen Zellenspannungsausgang einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung und ein System zum Schätzen von Parametern eines Brennstoffzellenstapels | |
DE112012006314B4 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE102013101826B4 (de) | Verfahren und System zum Spülen von Wasser aus einem Brennstoffzellenstapel | |
DE102010046149A1 (de) | Verfahren zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung einer Zellenspannungsvorhersage eines Brennstoffzellenstapels | |
DE112009002043B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenzustandserfassungsverfahren | |
DE112004002279T5 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten desselben | |
DE112008003004T5 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Begrenzung des Stroms derselben | |
DE102009007167A1 (de) | Online-Vorhersage und -Detektion leistungsschwacher Zellen (LPC) von Brennstoffzellensystemen | |
DE102009020225B4 (de) | Verfahren zum Verringern und Steuern der Stromabgabe eines Brennstoffzellenstapels | |
DE102013110593A1 (de) | Fahrzeuganwendung für eine Luftspeicherkathodenkohlenstoffverlustabschätzung | |
DE102008033010B4 (de) | Verfahren zum Bestimmen eines Profils von freier Diffusivität zu effektiver Diffusivität eines Brennstoffzellendiffusionsmediums | |
DE112009002499T5 (de) | Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenzustandserfassungsverfahren | |
DE102008055803A1 (de) | Verfahren zur modellbasierten Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung | |
DE102018115520A1 (de) | Erkennung von unreinem kraftstoff und abhilfemassnahmen | |
DE102012102282A1 (de) | Algorithmus für die In-situ-Quantifizierung einer PEMFC-Membranfunktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer | |
DE102012104142A1 (de) | Intelligente fahrzeugintegrierte raktive Rückgewinnungsstrategie | |
DE102012110561B4 (de) | Adaptive Begrenzung des Stand-By-Betriebs zur Erhöhung der Brennstoffzellensystemlebensdauer | |
DE102011109907A1 (de) | Membranpermeationseinstellung in Pem-Brennstoffzellen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT |
|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC , ( N. D. , US |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC (N. D. GES, US Free format text: FORMER OWNER: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS, INC., DETROIT, MICH., US Effective date: 20110323 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000 Ipc: H01M0008042980 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |